Фамилия Козьмодемьянский — одна из тех, что объединяет в себе сразу два крестильных имени: Козьма и Демьян. В переводе с греческого Козьма означает «мир, порядок, мироздание», а Демьян — «покоритель». Такие двойные фамилии встречались в среде духовенства: священники часто брали фамилии по именам святых, в честь которых был освящён храм или праздник. Сравните: Борисоглебский (Борис и Глеб), Петропавловский (Пётр и Павел), Космодемьянский (Косма и Дамиан, в народном произношении — Демьян). Так что предок носителя фамилии Козьмодемьянский вполне мог служить в церкви, освящённой во имя святых Космы и Дамиана, или происходить из села с таким названием.

У фамилии есть близкий вариант — Космодемьянский. Разница только в начальном корне: «Косма» — это книжная, церковная форма греческого имени, а «Козьма» — его русская, народная версия. Оба варианта восходят к одним и тем же святым, но написание могло закрепиться по-разному в документах разных эпох и губерний.

Самая известная носительница родственной фамилии — Зоя Анатольевна Космодемьянская (1923–1941). В октябре 1941 года, ещё ученицей 10 класса, она добровольно ушла в партизанский отряд. Действовала с товарищами в районе Нарофоминска под Москвой. У деревни Петрищево Зоя была схвачена немцами, подвергнута пыткам и повешена. Подвиг Космодемьянской, которая не открыла своего имени и назвалась Таней, описал военкор В. Лидов в газете «Правда» — этот очерк вызвал огромный патриотический отклик. Зое посмертно присвоили звание Героя Советского Союза. Её фамилия тоже образована от имён Космы и Дамиана, но в книжной форме.

Словообразовательная модель здесь — суффикс -ск-ий, типичный для фамилий священников и дворян, указывающий на принадлежность к месту или храму. В отличие от фамилий на -ов/-ев, которые часто означали «чей-то сын» или «чей-то работник», модель на -ский подчёркивала сословную или географическую привязку. Например, от нарицательного «роза» возникала фамилия Розов, а не Розин, хотя по правилам суффикс -ов присоединяется к словам мужского рода. Но процесс формирования фамилий был долгим и не всегда следовал строгим грамматическим нормам, поэтому точно определить время и место происхождения рода Козьмодемьянских можно лишь на основании серьёзных генеалогических изысканий.